DE10313101A1

DE10313101A1 - Latentwärmespeichermaterial

Info

Publication number: DE10313101A1
Application number: DE10313101A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Fieback; Götz LINDENBERG
Original assignee: RUBITHERM GmbH
Current assignee: Rubitherm Technologies 12277 Berlin De GmbH
Priority date: 2003-01-02
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-07-22
Also published as: ATE537235T1; ES2377006T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermaterial auf Basis eines Salzes, speziell eines Salzhydrates. Die Erfindung schlägt vor, dass das Latentwärmespeichermaterial einen Anteil an Paraffin enthält. Dieses kann insbesondere in gelöster Form vorliegen, wobei als Lösungsmittel ein ein- oder mehrwertiger Alkohol oder eine Hydroxylgruppen enthaltende organische Substanz wie zum Beispiel Zucker eingesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichermaterial auf Basis eines Salzes, speziell eines Salzhydrates.
Derartige Latentwärmespeichermaterialien sind neben paraffinbasierten Latentwärmespeichermaterialien bereits seit langem bekannt. Gerade bei salzbasierten Latentwärmespeichermaterialien stellt sich allerdings das Problem des Temperaturverzuges beim Verfestigen. Man spricht auch von Unterkühlung. Beim Verfestigen wird bekanntlich eine hohe Wärmemenge bei praktisch konstanter Temperatur abgegeben. Es sind nun bei salzbasierten Latentwärmespeichermaterialien Temperaturunterschiede von 5 bis 10 und manchmal mehr Grad im Vergleich zu der Auslegetemperatur bzw. vorhergesagten Temperatur, bei welcher die Verfestigung eigentlich eintreten sollte, beobachtet worden. Insbesondere in der Anwendung Raumklimatisierung bedeutet dies angesichts der damit verbundenen Unterschiede in den tatsächlichen Temperaturniveaus beim Ausspeichern von Wärme oft nicht akzeptable Komforteinbußen.
Für den praktischen Einsatz wird daher nach einem Latentwärmespeichermaterial gesucht, das bei möglichst gleicher, vorhersagbarer Temperatur sowohl schmilzt wie auch sich verfestigt.
Die Erfindung beschäftigt sich also mit der Aufgabe, ein salzbasiertes Latentwärmespeichermaterial anzugeben, das hinsichtlich seines Verfestigungsverhaltens möglichst wenig Temperaturunterschiede zeigt.
Diese Aufgabe ist beim Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abgestellt ist, dass das Latentwärmespeichermaterial auf Basis eines Salzes einen Anteil an Paraffin aufweist. Überraschend hat sich gezeigt, dass bereits ein relativ geringer Anteil Paraffin in dem salzbasierten Latentwärmespeichermaterial als Keimbildner wirkt und so "Unterkühlungseffekte" beim Verfestigen des Latentwärmespeichermaterials, die wesentlich für die genannten Temperaturunterschiede verantwortlich sind, praktisch nicht aufkommen läßt. Überraschend hat sich auch eine hohe Zyklusstabilität herausgestellt. Das im geschmolzenen Zustand vorliegende Kristallwasser mit darin befindlichem Paraffin, gegebenenfalls auch mit darin befindlichem Lösungsmittel, wie nachstehend noch in weiterer Einzelheit ausgeführt, lagert sich bei Abkühlung bzw. damit einhergehender Verfestigung des Latentwärmespeichermaterials wieder homogen und stabil an das Salzkristall an. Das Paraffin bildet bei jedem Erstarrungsvorgang seine Keimoberfläche neu, was bei dem Salz ebenfalls die sofortige Keimbildung anregt. Sehr vorteilhaft ist auch die bei Paraffin im Zuge des Erstarrens auftretende spürbare Volumenveränderung (Verringerung). Diese bzw. auch diese wirkt auslösend auf die Keimbildung des Salzes.
Bevorzugt ist es, dass das Paraffin in dem salzbasierten Latentwärmespeichermaterial in gelöster Form vorliegt. Als Lösungsmittel kann beispielsweise ein- oder mehrwertiger Alkohol oder ein anderer Hydroxylgruppen enthaltender Stoff (zum Beispiel Zucker) eingesetzt sein. Mit dem Anteil an Lösungsmittel, insbesondere aber mit einem Anteil an dem genannten Alkohol, läßt sich das Maß der Gefrierpunkterniedrigung steuern. Beispielsweise um gezielt eine Verfestigungstemperatur abweichend von der Auslege-Verfestigungstemperatur eines spezifischen salzbasierten Latentwärmespeichermaterials einzustellen.
Als Paraffin wird vorzugsweise solches mit einer gleichen Schmelztemperatur eingesetzt, wie es das Salz, oder die überwiegende Menge des salzbasierten Latentwärmespeichermaterials, aufweist.
Auch ist es vorteilhaft, das salzbasierte Latentwärmespeichermaterial in einem offenporigen Schaumstoff und/oder einer Kapillarräume bietenden Faserstruktur und/oder Diatominerde aufzunehmen.
Zwar ist eine solche Aufnahme von Latentwärmespeichermaterial in Kapillarräumen bereits für paraffinbasiertes Latentwärmespeichermaterial beschrieben worden (vgl. etwa WO 98/53264). Bezüglich salzbasiertem Latentwärmespeichermaterial ergibt sich aber auch noch der zusätzliche überraschende Vorteil, dass eine Trennung zwischen Wasser und Salz praktisch nicht mehr auftritt. Das Latentwärmespeichermaterial ist in eine sehr große Vielzahl praktisch voneinander getrennter Räume aufgeteilt. In jeder isolierten Menge ist der bestimmte Anteil an Paraffin enthalten. Die getrennten Räume sind entsprechend so groß bzw. entsprechen einer Menge an Latentwärmespeichermaterial wie sie beispielsweise einer Pore eines Schaumstoffs entspricht.
Der Paraffinanteil kann beispielsweise zwischen 0,5 und 10 % bezogen auf die Gesamtmasse liegen. Weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 5 %, nochmals weiter bevorzugt zwischen 0,5 und 3 % und darüber hinaus bevorzugt zwischen 1 und 2,5 %, wobei sich ein Paraffingehalt von 1,5 oder 2 % auch anbietet. Zusätzlich kann Lösungsmittel und/oder Emulgator vorgesehen sein. Auch die Menge aus Lösungsmittel und/oder Emulgator kann, zusammengefaßt, im Bereich von 0,5 bis 10 % bzw. bzw. bevorzugt in einem der vorstehend bereits für den Paraffingehalt genannten Zwischenwerte liegen. Hierbei ist es möglich, dass die genannten Mengen Paraffin einerseits und Lösungsmittel/Emulgator andererseits etwa zu gleichen Teilen vorgesehen sind. Andererseits kann aber auch die Menge an Lösungsmittel und gegebenenfalls Emulgator deutlich höher sein als der Anteil Paraffin. Je nach verwendetem Salz oder aus sonstigen Aspekten kann allerdings dieser Anteil auch geringer sein.
Hinsichtlich des Aufnahmematerials ist besonders bevorzugt ein offenporiger Schaumstoff wie er durch Melaminharzschaumstoff zur Verfügung gestellt ist. Dieser Schaumstoff ist vollständig offenporig, so dass eine vollständige Tränkung des Schaumstoffs mit dem Latentwärmespeichermaterial ermöglicht ist.
Es ist auch möglich, dem Latentwärmespeichermaterial noch ein Verdickungsmittel zuzuführen. Hinsichtlich des Verdickungsmittels kann es sich zum Beispiels um ein übliches Thixotropiemittel handeln. Ein konkretes Beispiel ist etwa Polyglycoläther. Bei Anwendung des Verdickungsmittels ist der Vorteil gegeben, dass selbst im erwärmten Zustand, in welchem üblicherweise eine Verflüssigung des Latentwärmespeichermaterials gegeben ist, dann noch eine Schwerflüssigkeit, im Sinne einer gallertartigen Konsistenz, gegeben ist. Etwa in Randbereichen oder bei einem unbeabsichtigten Durchtrennen eines solchen Latentwärmespeicherkörpers kommt es noch nicht oder nicht in wesentlichem Ausmaß zu einem Auslaufen von Latentwärmespeichermaterial.
Als Aufnahmematerial, in welches das Latentwärmespeichermaterial eingebunden wird, kommen auch organische Materialien wie Kunststoff oder Cellulose in Frage. Hierbei kann das Aufnahmematerial eine eigene Kapillarität aufweisen oder durch Zusammenfügen von kleinen Aufnahmematerialteilchen zwischen den Teilchen geschaffene Kapillarräume zur Verfügung stellen. Als Paraffin kommt zunächst das bekannte, aus Gatsch gewonnene Paraffin in Frage. Darüber hinaus aber auch synthetisch hergestelltes Paraffin, nämlich durch die Fischer-Tropsch-Synthese hergestelltes Paraffin (FT-Paraffin).
Das Latentwärmespeichermaterial wird bevorzugt wie folgt hergestellt: Zuerst wird das Salz mit dem zugehörigen Wasseranteil vermischt. Daraufhin wird das Paraffin in Alkohol gelöst. Es wird bevorzugt auch ein Emulgator hinzugegeben. Als Emulgator können beispielsweise höhere Etoxylate, Fettalkohole, höhere Fettalkohole, Fettsäuren eingesetzt werden. Diese so erhaltene Alkohol- und/oder Emulgator-Paraffinmischung wird sodann in die Salz-/Wassermischung eingerührt. Das Einrühren erfolgt bei etwa 60°C bis 80°C. Das Paraffin liegt sodann in fein dispersierter Form bezüglich des Salzes vor.
Bei der bevorzugten weiteren Einbringung in Schaumstoff, etwa den genannten offenporigen Melaminharzschaumstoff, wird diese Einbringung sodann durch Einwalzen beispielsweise vorgenommen.
Der genannte Emulgator wirkt gegebenenfalls auch noch zusätzlich zu dem Lösungsmittel gefrierpunkterniedrigend.
Als Anlage ist ein Diagramm beigefügt, welches den Gefrierpunkt in Abhängigkeit des Lösungsmittelanteils, das dort konkret Ethandiol ist, bei einem Calciumchlorid-Hexahydratbasierten Latentwärmespeichermaterial zeigt. Das hier beschriebene Latentwärmespeichermaterial ist mit dem überraschenden Effekt verbunden, dass nach Erreichen der Verfestigungstemperatur das Latentwärmespeichermaterial noch nicht hart ist, sondern eine etwa butterartige Konsistenz aufweist. Diese butterartige Konsistenz hält etwa über einen Temperaturbereich von 5°C an. Wenn beispielsweise die Verfestigungstemperatur des Latentwärmespeichermaterials 22°C ist, kann man bis hinunter zu 16,17°C eine butterartige Konsistenz, entsprechend harter Butter beobachten. Bei Temperaturen darunter stellt sich eine Härte ein, wie sie auch ein sonstiges salzbasiertes Latentwärmespeichermaterial nach Unterschreiten der Verfestigungstemperatur aufweist. Allerdings auch nicht schlagartig, sondern etwa in einem Übergang, bei dem genannten Beispiel, bis hin etwa zu 10°C.
Bei Einbringen des Latentwärmespeichermaterials in die feinen Poren eines offenporigen Schaumstoffs, wie etwa den genannten Melaminharzschaumstoff, ist die genannte butterartige Konsistenz über eine etwa geringere Temperaturspanne zu beobachten. Bei dem genannten Beispiel mit der Verfestigungstemperatur von 22°C etwa bis hin zu 18°C, wobei dann ab etwa 12°C, 13°C die Härte eines üblichen verfestigten salzbasierten Latentwärmespeichermaterials gegeben ist.
So gebildetes Latentwärmespeichermaterial wird bevorzugt noch in eine Folie, insbesondere dampfdiffusionsdichte Folie, eingeschweißt. Dies, um im Erstarrungszustand dem Verlust von Wasser durch Verdunsten entgegenzuwirken, Insbesondere kann eine solche Folie auch durch Siegelung verbunden sein. Es ist bevorzugt, eine breitere Verbindungsnaht herzustellen, um tatsächlich Diffusionen ausschließen zu können.
Durch Zugabe des Paraffins zu dem Salz wird eine kontrollierte sehr feine, dichtgepackte Kristallstruktur erreicht (kleine Kristalle mit wenig Zwischenraum). Daraus folgt eine sehr geringe Volumenänderung beim Phasenwandel, praktisch tritt nur die Volumenänderung des Wassers bei der diesbezüglichen Temperaturänderung auf. Dies ist etwa wichtig für wärmetechnische Anwendungen. Diese Beeinflussung der Kristallstruktur durch das fein verteilt vorhandene Paraffin wird bei Einlagerung in einen Schaumstoff, wie beschrieben, noch zusätzlich unterstützt.
Beispiele:
1.
Zu 1 Mol CaCl2·6H2O werden zudem 0,5 Mol C2H5OH (Mges = 240) hinzugegeben. Dazu etwa 5 Gramm eines Gemisches aus Toluol, Aceton, einem Emulgator und von aus Gatsch gewonnenem Paraffin mit der Schmelztemperatur 20°. Die so erhaltene Lösung erstarrt bei etwa 22°C.
2.
Zu 100 Masseteilen CaCl·6H₂O werden 9 Masseteile eines Gemisches aus Paraffin (Erstarrungspunkt 20°C) und einem Emulgator, sowie 7 Masseteilen Ethandiol als Lösungsmittel gegeben. Hierbei stellt sich ebenfalls ein Erstarrungspunkt von 22°C ein.
3.
Zu 100 Masseteilen CacL·6H₂O werden 9 Masseteile eines Gemisches aus Paraffin mit einem Erstarrungspunkt 30°C und einem Emulgator sowie 2 Masseteilen Ethandiol gegeben. Es stellt sich ein Erstarrungspunkt von ca. 25°C ein.
4.
Zu 100 Masseteilen K₃PO₄·7H₂O (Erstarrungspunkt 47°C) werden 9 Masseteile eines Gemisches aus Paraffin (Erstarrungspunkt 54°C) und einem Emulgator, sowie 10 Masseteilen D-Glucose gegeben. Es stellt sich ein Erstarrungspunkt von ca. 41°C ein.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

Latentwärmespeichermaterial auf Basis eines Salzes, speziell eines Salzhydrats, gekennzeichnet durch einen Anteil an Paraffin.
Latentwärmespeichermaterial nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Paraffin in gelöster Form vorliegt.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Paraffin in dem Salz bzw. dem Salzhydrat emulgiert ist.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel ein ein- oder mehrwertiger Alkohol oder eine andere Hydroxylgruppen enthaltende organische Substanz wie zum Beispiel Zucker eingesetzt ist.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Paraffin mit einer dem Salz entsprechenden Schmelztemperatur eingesetzt wird.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial in einem Kapillarstrukturen aufweisenden Aufnahmekörper aufgenommen ist.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper aus einem offenporigen Schaumstoff besteht.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper aus einer Kapillarräume bietenden Faserstruktur besteht.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper aus Diatominerde besteht.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper selbstansaugend ist.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Latentwärmespeichermaterial ein Emulgator enthalten ist.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Emulgator in einem Anteil bis zu 10% (Massenprozent) in dem Latentwärmespeichermaterial enthalten ist.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Paraffinanteil weniger als 50 % der Gesamtmenge des Latentwärmespeichermaterials (bezogen auf das Gewicht) ausmacht.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Paraffinanteil zwischen 0,5 und 10 % liegt.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Paraffinanteil zwischen 0,5 und 5 % liegt.
Latentwärmespeichermaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Paraffinanteil zwischen 0,5 und 3 % liegt.